利用ADM模型对棉花种子蛋白质的发育遗传分析

《Agronomy》：Developmental Genetic Analysis of Cotton Seed Protein Using the ADM Model

　　

棉花种子蛋白质是一种重要的种子品质性状，具有相当大的利用潜力；然而，控制其发育动态的遗传机制仍未完全阐明。2024年和2025年生长季进行了田间试验。利用11个陆地棉亲本品系和通过Griffing-II双列杂交获得的36个F₁杂交组合，评估了三种种植配置（三行（FR3）、四行（FR4）和六行（FR6）覆膜配置）。在花后10、15、20、25、30、40、50和60天八个发育阶段采集样品。采用凯氏定氮法（Kjeldahl method）测定棉花种子蛋白质含量，并使用Logistic生长模型估计蛋白质积累参数。利用纳入基因型-环境互作的发育ADM模型进行了无条件与条件遗传分析。棉花种子蛋白质积累呈S型趋势：先增加，进入平台期，随后略有下降，并在发育后期逐渐上升。基因型、年份、种植配置及其互作显著影响蛋白质含量和生长参数，但未改变潜在发育轨迹。在种植配置中，FR4表现出最高的蛋白质积累速率和最大蛋白质积累量，性状变异最小，在试验条件下整体表现最佳。遗传分析表明，显性-环境和母体-环境互作是蛋白质积累的主要组分，而加性、显性和母体主效应仅在特定发育阶段显著。就棉花种子蛋白质遗传而言，不同环境和发育阶段的预测遗传效应表明，P6的遗传效应稳定性最高，P7和P9表现出中等稳定性，而P3的遗传效应稳定性相对较低。棉花种子蛋白质积累的发育模式主要受遗传效应控制且相对稳定，而环境条件主要改变积累幅度。在以提高棉花种子蛋白质为目标的育种中，应考虑亲本品系的遗传背景以及环境对棉花种子蛋白质积累的影响。

棉花种子蛋白质发育遗传机制研究解读

棉花种子是棉花生产的重要副产物，富含蛋白质和油脂，在动物营养、水产养殖、抗氧化及抗菌应用中具有可观的增值利用潜力。然而，关于棉花种子蛋白质含量的遗传调控机制，前人研究结论并不一致：部分研究认为加性效应是主要遗传组分，另有研究报道显性效应、上位效应及母体效应也发挥重要作用。这些差异可能源于环境条件、群体设计和分析方法的差异。此外，棉花种子蛋白质积累是一个动态过程，而以往研究多基于蛋白质含量稳定后的表型数据进行遗传分析，发育过程中遗传效应的阶段特异性变化仍不清楚。为此，研究人员利用发育遗传模型开展动态遗传解析，以阐明棉花种子蛋白质积累的发育遗传规律。

2024—2025年，研究人员以11个陆地棉亲本品系为材料，通过Griffing-II双列杂交配制36个F₁组合，在新疆塔里木大学南疆作物重点试验基地（40°39′01″ N，81°01′43″ E）开展田间试验，比较FR3、FR4和FR6三种覆膜种植配置。于花后10、15、20、25、30、40、50、60天八个发育阶段取样，采用凯氏定氮法测定蛋白质含量，Logistic生长模型拟合积累参数，并采用加性-显性-母体（ADM）遗传模型进行无条件与条件遗传分析。研究明确了棉花种子蛋白质积累的发育轨迹、遗传组分及其与环境互作的规律，筛选出遗传稳定的亲本和适宜种植配置，为高蛋白棉花育种提供了理论依据。该论文发表在《Agronomy》。

在技术方法上，研究采用Griffing-II双列杂交设计配制11个亲本的不完全双列杂交组合，共产生36个F₁组合（含正反交）；采用凯氏定氮法（Kjeldahl method）测定棉花种子蛋白质含量；以Logistic生长模型估计最大积累量（Wm）、最大积累速率（Vm）、到达最大积累速率时间（t0）、快速积累期起止时间（t1、t2）、快速积累期持续时间（Δt）及快速积累期蛋白质积累量（GT）等参数；采用ADM模型进行无条件与条件遗传分析，以MINQUE法估计方差分量，jackknife法估计标准误，t检验检测显著性。样本来自两个生长季、8个发育时期、3种种植配置下的141个试验小区（每个基因型在每种配置下设1个独立小区，含3个取样点，每样点取12个棉铃混合，每混合样进行2次凯氏定氮技术重复）。

研究结果分为四方面。第一，蛋白质动态特征：棉花种子蛋白质积累呈S型趋势，花后10—40天为快速积累期，多数基因型在花后30—40天达到峰值后略有下降；2024年平均蛋白质含量高于2025年；FR4的Wm、GT、Vm均值最高，变异系数最低，模型拟合R²年际一致性更好，整体表现最佳。第二，方差分析结果：无条件方差分析表明，显性-环境互作（DE）和母体-环境互作（ME）在花后10—60天各阶段高度显著，其中DE方差比率≥0.319，为主要遗传组分，而加性、显性和母体主效应仅在特定发育阶段显著；条件方差分析结果类似，互作效应在不同发育区间持续显著，主效应遗传力较低，而互作遗传力高（广义互作遗传力≥0.578），表明基因型×环境互作解释了棉花种子蛋白质净表型变异的主要比例。第三，相关性分析：无条件相关分析显示，2024年早期以母体效应为主，后期以显性和母体-环境效应为主；2025年早期以显性和加性-环境效应为主，后期母体-环境效应占主导；条件相关分析表明母体-环境互作在两年中均持续重要。第四，亲本遗传效应预测：P6（塔达1619）在三种种植配置及大多数发育阶段的遗传效应估计值均接近零，且无极端正负偏离，遗传稳定性最高；P7和P9表现出中等稳定性；P3（德0908/R//cm7-9///德0905/R2//乌浩卡）在两个生长季的关键发育阶段均出现明显遗传效应波动，稳定性较低。

讨论部分指出，棉花种子蛋白质积累遵循相对稳定的发育程序，环境条件主要改变积累幅度而非发育轨迹；显性-环境与母体-环境互作是动态积累的主要遗传组分，母体选择在高蛋白育种中应受到重视；窄遗传力普遍较低，高蛋白选择宜在后期世代进行；遗传效应预测须结合发育阶段与环境条件综合评估，不能仅依据成熟期表型判断。

研究结论可归纳为四点：其一，棉花种子蛋白质积累是受环境影响的动态过程，随种子发育成熟逐渐趋于稳定，基因型间差异缩小，但总体发育轨迹在基因型和环境间保持基本一致。其二，不同发育阶段的棉花种子蛋白质受多个遗传组分调控，其表达受环境条件修饰，母体效应和母体-环境互作尤为重要，选择高蛋白种质时应重视母本性状表现。其三，三种种植配置中FR4综合稳定性最高，最有利于棉花种子蛋白质积累，可为以稳定种子蛋白质含量为目标的栽培与育种提供参考。其四，P6（塔达1619）在南疆试验条件下蛋白质性状表现稳定，P7（源棉8///德0905/R2//新玉7/R6）和P9（ZJQ10-8/cm）呈中等遗传稳定性，可作为候选亲本；P3变异较大，需进一步开展多点、多性状及后代表现综合评价后再确定其育种价值。